Стаття присвячена аналізу діаграм розсіювання нелінійно взаємодіючих плоских акустичних хвиль на жорсткому циліндрі. проведено порівняння розрахункових і експериментальних діаграм розсіювання плоскою акустичної хвилі на жорстких циліндрах і металевих оболонках циліндричної форми. Порівняння здійснено для побудованих діаграм розсіювання акустичного тиску хвилі різницевої частоти. Аналізується процес формування підсумкового поля розсіювання навколо циліндра, загальне акустичного тиск хвилі різницевої частоти створюється просторовими складовими з різною конфігурацією хвильового фронту.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Аббасов І.Б., Заграй Н.П.


ANALYSIS THE SCATTERING DIAGRAMS OF NONLINEARLY INTERACTING ACOUSTIC WAVES BY A RIGID CYLINDER

This article analyzes the scattering diagrams of nonlinearly interacting plane acoustic waves on a rigid cylinder. The numerical and experimental scattering diagrams of a plane acoustic wave on a rigid cylinders and cylindrical metallic shells is comparised. Comparisons performed for acoustic pressure built scattering diagrams difference frequency wave. Analyzes the process of formation of the final scattering field around the cylinder, the total acoustic pressure of difference frequency wave is generated spatial terms with a different configuration of the wavefront.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва діє до: 2016
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал

    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ДІАГРАМ РОЗСІЯННЯ нелінійної взаємодії АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ НА жорстко ЦИЛІНДРІ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ДІАГРАМ РОЗСІЯННЯ нелінійної взаємодії АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ НА жорстко ЦИЛІНДРІ»

    ?ТЕХНІЧНІ НАУКИ / ENGINEERING

    DOI: 10.18454 / IRJ.2016.53.142 Аббасов І.Б.1, Заграй Н.П.2

    1ORCID: 0000-0003-4805-8714, Доктор технічних наук, 2Доктор технічних наук, Інженерно-технологічна академія Південного федерального університету АНАЛІЗ ДІАГРАМ РОЗСІЯННЯ нелінійної взаємодії АКУСТИЧНИХ

    Хвиль на жорсткому ЦИЛІНДРІ

    анотація

    Стаття присвячена аналізу діаграм розсіювання нелінійно взаємодіючих плоских акустичних хвиль на жорсткому циліндрі. Проведено порівняння розрахункових і експериментальних діаграм розсіювання плоскої акустичної хвилі на жорстких циліндрах і металевих оболонках циліндричної форми. Порівняння здійснено для побудованих діаграм розсіювання акустичного тиску хвилі різницевої частоти. Аналізується процес формування підсумкового поля розсіювання навколо циліндра, загальне акустичного тиск хвилі різницевої частоти створюється просторовими складовими з різною конфігурацією хвильового фронту.

    Ключові слова: розрахункові і експериментальні діаграми розсіювання, акустично жорсткий циліндр, хвиля різницевої частоти.

    Abbasov LB.1, Zagrai N.P.2 1ORCID: 0000-0003-4805-8714, PhD in Engineering, 2PhD in Engineering, Engineering Technological Academy of Southern Federal University ANALYSIS THE SCATTERING DIAGRAMS OF NONLINEARLY INTERACTING ACOUSTIC WAVES

    BY A RIGID CYLINDER

    Abstract

    This article analyzes the scattering diagrams of nonlinearly interacting plane acoustic waves on a rigid cylinder. The numerical and experimental scattering diagrams of a plane acoustic wave on a rigid cylinders and cylindrical metallic shells is comparised. Comparisons performed for acoustic pressure built scattering diagrams difference frequency wave. Analyzes the process of formation of the final scattering field around the cylinder, the total acoustic pressure of difference frequency wave is generated spatial terms with a different configuration of the wavefront.

    Keywords: numerical and experimental scattering diagrams, acoustical rigid cylinder, difference frequency wave.

    Питання діагностики водного середовища прибережних акваторій залишаються актуальними, доцільно для цих цілей використовувати гідроакустичні системи на основі нелінійних ефектів. Дані системи базуються на гідроакустичних параметричних антенах, які дозволяють в широкосмуговому діапазоні найбільш ефективно діагностувати неоднорідності водної товщі мілководних водойм. Аналітично завдання діагностики добре описуються для неоднорідностей правильної геометричної форми. Представлена ​​робота присвячена аналізу поля розсіювання нелінійних хвиль на неоднорідностях середовища циліндричної форми. Питання аналізу діаграм розсіювання акустичних хвиль на витягнутому сфероїді були розглянуті в роботі [1].

    Постановка завдання була сформульована і досліджена авторами в роботах [2], [3]. На акустично жорсткий циліндр падають нелінійно взаємодіють плоскі акустичні хвилі, при цьому хвильові процеси описуються нелінійним хвильовим рівнянням, яке вирішується методом послідовних наближень. Далі були отримані асимптотичні вирази для акустичного тиску всіх чотирьох частотних компонент вторинного поля. Вирази для акустичних тисків складаються з просторових доданків, що характеризують нелінійна взаємодія, як падають плоских і розсіяних циліндричних хвиль, так і взаємодію хвиль з різними просторовими конфігураціями хвильового фронту. На основі асимптотичних виразів були побудовані розрахункові діаграми розсіювання, як доданків, так і загального акустичного тиску хвиль вторинного поля.

    Необхідно відзначити, що завдання розсіювання на циліндрі детально досліджена для лінійного випадку, однак акустична параметрическая антена надає можливість широкосмугового діагностики підводних об'єктів для цілей ближньої локації. Нелінійна задача в даній постановці є маловивченою, останнім часом ця задача знаходить своє застосування в акустичній томографії. Дослідженню сумарною частоти при неруйнівному віброакустичний контролі присвячена робота [4]. В роботі [5] проведено порівняння розсіює здатності жорстких і м'яких циліндричних розсіювачів для відновлення зображень при медичної томографії.

    Слід підкреслити, що при нашому розгляді для первинних високочастотних хвиль розсіювання на циліндрі є лінійним і знаходиться в області великих хвильових розмірів (геометричне розсіяння). А вторинне акустичне поле генерується нелінійним взаємодією вихідних розсіяних хвиль, тому розглянемо деякі теоретичні і експериментальні результати з розсіювання акустичних хвиль на циліндрі.

    На рис.1 представлені розрахункові діаграми розсіювання плоскої звукової хвилі на пружних циліндричних оболонках [6]. З представлених діаграм найбільш важливими для нас є розсіювання на вільної оболонці. Розрахунки проводилися за умови, що матеріалом оболонки є сталь, а оболонку оточує вода. З ростом частоти діаграма спрямованості прагне до діаграми спрямованості «вільної» оболонки. При H ^ 1

    (Суцільний циліндр) для «вільної» оболонки поле розсіяного акустичного тиску являє собою поле розсіювання плоскої хвилі на жорсткому циліндрі (крива - а).

    Аналізуючи діаграму розсіювання вільного циліндра (крива - а, пунктирна лінія), можна відзначити, що розсіяне поле має бічні пелюстки і максимуми в зворотному напрямку і по напрямку поширення плоскої хвилі (в тіньовий області).

    Для порівняння з отриманими нами результатами розглянемо діаграму розсіювання, представлену на рис.2.

    Дана діаграма розрахована для акустичного тиску хвилі різницевої частоти />(2) (г, р, г) при розсіянні на жорсткому циліндрі.

    90 6

    270

    Мал. 1 - Діаграми розсіювання плоскої хвилі на циліндричних оболонках при: ка = 1,23; Н = 0,03, де, Н = Н / а, а- радіус оболонки, до- товщина, до- хвильове число;) - «вільна» оболонка;) - оболонка з закріпленням;

    в - оболонка з розрізом

    Р. а> ?хсопй

    +90

    з

    Мал. 2 - Діаграма розсіювання хвилі різницевої частоти Р (2) (г, р, г) на жорсткому циліндрі з радіусом а = 0,01 м, частота вихідних хвиль накачування / 2 = 1000 кГц, / = 880 кГц, частота разностной хвилі ^ = 120 кГц, до а = 5,

    на відстані ^ = 0,035 м.

    Найціннішим для будь-яких теоретичних досліджень є їх порівняння з експериментальними вимірами. Розглянемо експериментальні діаграми розсіювання (рис.3), які були опубліковані в статті [7].

    Мал. 3 - Експериментальні діаграми розсіювання плоскої хвилі на металевих циліндричних стрижнях:

    а - алюміній, діаметр а? = 0,95 мм (ка = 2); б - латунь, діаметр й = 0,71 мм (ка = 1,5); в) - сталь, діаметр а? = 0,95 мм

    (Ка = 2); довжина стрижнів 1 = 30 мм; тривалість імпульсів т = 30 мкс, частота заповнення / = 1 МГц.

    Ці діаграми розсіювання представлені в прямокутних координатах і присвячені розсіювання плоскої акустичної хвилі на металевих циліндричних стрижнях. Для металевих стрижнів були виявлені недзеркальні відображення по кутах: для алюмінієвого і сталевого стрижнів (в = 430); для латунного стержня (в = 720). Відзначено, що недзеркальних відображення обумовлено поздовжніми коливаннями стрижня.

    З порівняння експериментальних діаграм розсіювання металевих циліндричних стрижнів (рис.3) і діаграми розсіювання хвилі різницевої частоти на рис.2 можна підкреслити наступне:

    - експериментальні діаграми розсіювання на металевих циліндрах мають максимуми в зворотному напрямку, і в бічних напрямках, також спостерігається проміжний між ними пелюстка. У бічних напрямках розташування максимумів залежить від матеріалу, найбільший кут (в = 720) має латунний циліндр;

    - найбільш значущим є наявність бічних рівнів на експериментальних діаграмах, в цілому діаграми розсіювання мають гарний збіг по розташуванню основних рівнів розсіювання в зворотному і бічних напрямках.

    Тіньова область експериментально недоступна, однак наявність тіньового пелюстки в діаграмі розсіювання хвилі різницевої частоти (рис.2) підтверджується тіньовими максимумами на розрахункових діаграмах рис.1. Необхідно відзначити також, що в нашому випадку розсіяне поле створюється джерелами вторинних хвиль середовища навколо циліндра. А в лінійному випадку вони розташовуються саме на поверхні циліндра.

    Через різної просторової конфігурації хвильових фронтів вихідних взаємодіючих хвиль внесок у формування результуючого поля розсіювання просторових доданків є нерівнозначних. Складові, що характеризують взаємодію падаючих плоских і розсіяних циліндричних хвиль мають найбільший вплив в підсумкове поле розсіювання. У середовищі навколо циліндричного розсіювача відбувається також взаємодія

    падаючої плоскої хвилі з розсіяною циліндричної. Однак ця взаємодія є зустрічним, отже, ефективність даних доданків є несуттєвим.

    Наявність на рис. 2 основних максимумів в напрямках ф = о0, + 2 і Л, пов'язане з тим, що за цими

    напрямками хвильові фронти взаємодіючих високочастотних хвиль мають мінімальні фазових відмінності. Збільшення хвильового розміру циліндричного розсіювача призводить до незначних змін діаграми розсіювання. Щодо особливостей інших просторових доданків слід вказати також, що доданок, що створюється падаючими плоскими хвилями на відміну від інших в явному вигляді не несе в собі інформацію про граничних умовах і властивості циліндричного розсіювача.

    В результаті проведених порівнянь можна відзначити, що за основними напрямками розсіювання (зворотне, бічне і пряме) спостерігається хороший збіг по розташуванню максимумів з представленими розрахунковими і експериментальними діаграмами.

    Список літератури / References

    1. Аббасов І.Б., Заграй Н.П. Аналіз діаграм розсіювання нелінійно взаємодіючих акустичних хвиль на витягнутому сфероїді // Міжнародний науково-дослідний журнал - 2015. -№ 6-2 (37). С. 5-8.

    2. Аббасов І.Б., Заграй Н.П. Дослідження вторинного поля хвилі різницевої частоти при розсіянні нелінійно взаємодіючих плоских акустичних хвиль на циліндрі // Акустичний журнал. -1999. -Т.45. -№ 5. С.590-596.

    3. Abbasov I.B. Hyrdoacoustic Ocean Exploration: Theories and Experimental Application. Wiley & Sons and Scrivener Publishing. -2016. 192 p. http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9781119323723

    4. Mitri F. G., Silva G. T., Greenleaf J. F., Fatemi M. Simultaneous sum-frequency and vibro-acoustography imaging for nondestructive evaluation and testing applications // J. Appl. Phys. -2007. -V.102. -№11. P.1149-1153 http://dx.doi.org/10.1063/1.2821174

    5. Бадалян Н.П., Буров В.О., Морозов С.А., Румянцева О.Д. Розсіювання на акустичних граничних розсіювачах з малими хвильовими розмірами і їх відновлення // Акустичний журнал. - 2009. -Т.55. -№1. С.3-10.

    6. Тютекін В.В, Бойко А.І. Дифракція плоскої звукової хвилі на пружних циліндричних оболонках з різними типами поздовжнього закріплення // Акустичний журнал. - 2006. -Т.52. -№3. С.408-415.

    7. Лямшев Л.М. Недзеркальних відображення, резонансне розсіювання і випромінювання звуку пластинками і оболонками в воді // Акустичний журнал. -1999. -Т.45. -№5. С.693-716.

    Список літератури англійською мовою / References in English

    1. Abbasov I.B., Zagrai N.P. Analiz diagramm rasseyaniya nelineyno vzaimodeystvuyushchikh akusticheskikh voln na vytyanutom sferoide [Analysis of scattering diagrams of nonlinearly interacting acoustic waves by an elongated spheroid] // [Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal] International Research Journal. - 2015. -№ 6-2 (37). P 5-8. [In Russian]

    2. Abbasov I.B., Zagrai N.P. Issledovaniye vtorichnogo polya volny raznostnoy chastoty pri rasseyanii nelineyno vzaimodeystvuyushchikh ploskikh akusticheskikh voln na tsilindre // Akusticheskiy zhurnal [Study of secondary field difference frequency wave in the scattering of nonlinearly interacting acoustic waves on the plane cylinder // Acoustical Physics]. -1999. -T.45. -№ 5. P.590-596. [In Russian].

    3. Abbasov I.B. Hyrdoacoustic Ocean Exploration: Theories and Experimental Application. Wiley & Sons and Scrivener Publishing. -2016. 192 p. http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9781119323723

    4. Mitri F. G., Silva G. T., Greenleaf J. F., Fatemi M. Simultaneous sum-frequency and vibro-acoustography imaging for nondestructive evaluation and testing applications // J. Appl. Phys. -2007. -V.102. -№11. P.1149-1153 http://dx.doi.org/10.1063/1.2821174

    5. Badalyan N.P., Burov V.A., Morozov S.A. Rumyantsev O.D. Rasseyaniye na akusticheskikh granichnykh rasseivatelyakh s malymi volnovymi razmerami i ikh vosstanovleniye // Akusticheskiy zhurnal. [Scattering by acoustical boundary wave scatterers with small size and their restoration // Acoustical Physics]. - 2009. -T.55. -№1. P.3-10. [In Russian].

    6. Tyutekin V.V., Boyko A.I. Difraktsiya ploskoy zvukovoy volny na uprugikh tsilindricheskikh obolochkakh s razlichnymi tipami prodol'nogo zakrepleniya // Akusticheskiy zhurnal [Diffraction of a plane acoustic wave on the elastic cylindrical shells with different types of longitudinal fixing // Acoustical Physics]. - 2006. -T.52. -No. 3. P.408-415. [In Russian].

    7. Lyamshev L.M. Nezerkal'noye otrazheniye, rezonansnoye rasseyaniye i izlucheniye zvuka plastinkami i obolochkami v vode // Akusticheskiy zhurnal [Irregular reflection, resonance scattering and radiation of sound plates and shells in water // Acoustical Physics] -1999. -T.45. -№5. P.693-716. [In Russian].


    Ключові слова: РОЗРАХУНКОВІ І ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ діаграми РОЗСІЯННЯ / NUMERICAL AND EXPERIMENTAL SCATTERING DIAGRAMS / Акустичні ЖОРСТКИЙ ЦИЛИНДР / ACOUSTICAL RIGID CYLINDER / ХВИЛЯ різницевої частоти / DIFFERENCE FREQUENCY WAVE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити